物理選擇性必修第三冊(配人教版)第5章-4核裂變與核聚變

第五章原子核4核裂變與核聚變學習目標1．知道重核的裂變產物和鏈式反應發(fā)生的條件(重點)2．知道核聚變，了解受控聚變反應(重點)3．會判斷和書寫核裂變、核聚變方程，能計算核反應釋放的能量(重難點)學法與考法學法：①通過學習核裂變，知道鏈式反應發(fā)生的條件，了解裂變反應堆的工作原理，了解常用裂變反應堆的類型．知道核電站的工作模式．②通過學習核聚變，了解聚變反應的特點及其條件，知道輕核的聚變能夠釋放出很多的能量，如果能加以控制將為人類提供廣闊的能源前景考法：①對鏈式反應、重核裂變的理解及核反應方程式的書寫的考查．②對聚變反應的特點、條件及核反應方程式的書寫的考查．③對核裂變與核聚變釋放核能計算的考查知識導圖預習導學|新知領悟核裂變中子相近釋放鏈式反應最小臨界體積中子源原子核釋放粒子的過程也是核裂變的過程嗎？核裂變的條件是什么？微思考【答案】原子核釋放粒子的過程不是核裂變的過程．核裂變的條件是發(fā)生鏈式反應．【答案】ACD1．核電站：利用核能發(fā)電，它的核心設施是__________，它主要由以下幾部分組成：(1)燃料：________.(2)慢化劑：鈾235容易捕獲慢中子發(fā)生反應，采用________、重水或普通水作慢化劑．(3)控制棒：為了控制能量釋放的速度，就要想辦法調節(jié)中子的數(shù)目，采用在反應堆中插入鎘棒的方法，利用鎘____________的特性，就可以容易地控制鏈式反應的速度．核電站反應堆鈾棒石墨吸收中子2．工作原理：核燃料________釋放能量，使反應區(qū)溫度升高．3．能量輸出：利用水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應堆內外________________，用于發(fā)電．4．核污染的處理：在反應堆的外面需要修建很厚的__________，用來屏蔽裂變反應放出的各種射線，核廢料具有很強的__________，需要裝入特制的容器，深埋地下．裂變循環(huán)流動水泥層放射性核反應堆可以人工控制核反應速度嗎？減速劑的作用是使快中子減速變成慢中子嗎？微思考【答案】核反應堆可以人工控制核反應速度．減速劑的作用是使快中子減速變成慢中子，從而使更多的鈾核產生鏈式反應，不是為了減慢裂變速度，而是為了提高中子的利用率． (多選)為應對能源危機和優(yōu)化能源結構，提高清潔能源的比重，我國制定了優(yōu)先選擇核能，其次加快發(fā)展風電和再生能源的政策，在《核電中長期發(fā)展規(guī)劃》中要求2020年核電運行裝機總容量達到4000萬千瓦的水平，請根據(jù)所學物理知識，判斷下列說法中正確的是(

)A．核能發(fā)電對環(huán)境的污染比火力發(fā)電要小B．所有核電站都只利用重核裂變釋放大量的原子能C．所有核電站既有重核裂變，又有輕核聚變釋放大量的原子能D．如果核電站能實現(xiàn)可控輕核聚變發(fā)電，其核廢料處理更簡單，對環(huán)境污染更小【答案】ABD【解析】目前核電站都用核裂變，其原料是鈾，且核能是比較清潔的能源，故A、B正確，C錯誤；如果核電站能實現(xiàn)可控輕核聚變發(fā)電，其核廢料處理起來比鈾核裂變廢料更容易，對環(huán)境污染也更小，D正確．核聚變與受控熱核反應質量較大能量10－15m溫度熱核反應(4)應用：目前，熱核反應主要用在核武器上，那就是__________，需要用____________爆炸產生的高溫高壓引發(fā)核爆炸．(5)太陽能：太陽的主要成分是氫，太陽中心溫度可達1.5×107K，在此高溫下，氫核聚變成氦核的反應不停地進行著，太陽能就來自于太陽內部____________釋放的核能．氫彈原子彈核聚變2．受控熱核反應(1)聚變的優(yōu)點：①輕核聚變產能效率高；②地球上聚變燃料的儲量豐富；③輕核聚變更為安全、清潔，控制溫度，可控制反應，而且生成的廢物數(shù)量少、易處理．(2)聚變的難點：地球上沒有任何容器能夠經(jīng)受熱核反應的高溫．(3)控制方法①磁約束：利用磁場約束參加反應的物質，目前最好的一種磁約束裝置是____________．②慣性約束：聚變物質因自身的慣性，在極短時間內來不及擴散就完成了核反應，在慣性約束下，用________從各個方向照射反應物，使它們“擠”在一起發(fā)生反應．環(huán)流器激光輕核發(fā)生聚變反應需要什么條件？太陽中發(fā)生的是可控熱核聚變反應嗎？微思考【答案】輕核發(fā)生聚變反應需要高溫．太陽中發(fā)生的是不能實現(xiàn)人工控制的輕核聚變． (多選)以下說法正確的是 (

)A．聚變是裂變的逆反應B．如果裂變釋放能量，則聚變反應必定吸收能量C．聚變須將反應物加熱至數(shù)百萬度以上高溫，所以聚變反應又叫熱核反應D．裂變反應的速度可以實現(xiàn)人工控制，但卻不容易控制輕核聚變的反應速度【答案】CD【解析】聚變是輕核聚合成次輕核，裂變是重核分裂成中等質量的核，二者無直接關系，A錯誤．聚變和裂變在能量流向上也無直接關系，B錯誤．核聚變反應是熱核反應，需數(shù)百萬度的高溫，但聚變反應一旦開始所釋放的能量就遠大于所吸收的能量，因此聚變反應還是釋放能量的，C正確．現(xiàn)在已經(jīng)能實現(xiàn)裂變反應速度的人工控制，除氫彈外，還不能實現(xiàn)輕核聚變的人工控制，D正確.多維課堂|

素養(yǎng)初培如圖所示，1964年10月16號中國第一顆原子彈成功在羅布泊引爆，這顆原子彈的爆炸讓整個世界都為之震驚．探究重核裂變反應問題(1)這顆原子彈爆炸的原理是什么？(2)鈾核的裂變是一種天然放射現(xiàn)象嗎？(3)鈾核裂變的核反應方程是唯一的嗎？(4)重核裂變反應是否滿足電荷數(shù)守恒？是否滿足質量數(shù)守恒？【答案】(1)這顆原子彈爆炸的原理是裂變核反應，較重的核分裂成中等大小的核，同時釋放能量．(2)不是．鈾核在受到中子轟擊后才發(fā)生裂變，不是天然放射現(xiàn)象，屬于核反應．(3)不是．鈾核裂變的生成物并不確定，所以其核反應方程不是唯一的．(4)重核裂變反應屬于核反應，滿足電荷數(shù)守恒，質量數(shù)守恒．1．鈾核的裂變和裂變方程(1)核子受激發(fā)：當中子進入鈾235后，便形成了處于激發(fā)狀態(tài)的復核，復核中由于核子的激烈運動，使核變成不規(guī)則的形狀．(2)核子分裂：核子間的距離增大，因而核力迅速減弱，使得原子核由于質子間的斥力作用而分裂成幾塊，同時放出2或3個中子，這些中子又引起其他鈾核裂變，這樣，裂變就會不斷地進行下去，釋放出越來越多的核能．2．鏈式反應的條件(1)有慢中子轟擊．(2)鈾塊的體積大于臨界體積，或鈾塊的質量大于臨界質量．以上兩個條件滿足一個，則另一個條件自動滿足．3．裂變反應的能量：鈾核裂變?yōu)橹械荣|量的原子核，發(fā)生質量虧損，所以放出能量．一個鈾235核裂變時釋放的能量如果按200MeV估算，1kg鈾235全部裂變放出的能量相當于2800t標準煤完全燃燒時釋放的能量，裂變時能產生幾百萬度的高溫．素養(yǎng)點評：通過重核裂變探究，培養(yǎng)“物理觀念”和“科學態(tài)度與責任”的核心素養(yǎng)．對重核裂變的理解精練1關于重核的裂變，以下說法正確的是 (

)A．核裂變釋放的能量等于它俘獲中子時得到的能量B．中子從鈾塊中通過時，一定發(fā)生鏈式反應C．重核裂變釋放出大量能量，產生明顯的質量虧損，所以核子數(shù)要減少D．由于重核的核子平均質量大于中等質量核的核子平均質量，所以重核裂變?yōu)橹械荣|量的核時，要發(fā)生質量虧損，放出核能【答案】D變式1

2021年1月21日中廣核集團在深圳召開2021年度媒體通報會，會議指出，2020年度中廣核24臺核電機組保持安全穩(wěn)定運行，世界核運營者協(xié)會WANO指標中，72.6%的指標達到世界先進水平，平均能力因子連續(xù)三年保持92%以上，其中寧德核電2號機組全部WANO指標達到卓越值．以下關于核能的說法，正確的是 (

)A．寧德核電2號機組的核能是利用輕核聚變B．原子核的比結合能越大原子核越穩(wěn)定C．重核裂變是重核分裂成中等大小的核，核的比結合能減小D．重核裂變反應中虧損的質量變成了能量【答案】B【解析】當今所有投入運營的核電站用的都是重核裂變，A錯誤；原子核比結合能越大，核子結合得越牢固，原子核越穩(wěn)定，B正確；重核裂變的過程中釋放能量，所以重核分裂成中等大小的核，核的比結合能增大，C錯誤；核裂變反應中釋放核能有質量虧損，質量與能量之間存在一定的關系，但不是質量轉變?yōu)槟芰?，D錯誤．解：(1)根據(jù)電荷數(shù)和質量數(shù)守恒，可得Zr的電荷數(shù)Z＝92－60＋8＝40，質量數(shù)A＝236－143－3×1＝90.(2)方法一：質量虧損Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn)＝0.2174u.一個鈾核裂變釋放能量ΔE＝Δm×931.5MeV＝0.2174×931.5MeV≈202.5MeV.方法二：Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn)＝0.2174u＝0.2174×1.6606×10－27kg≈3.6×10－28kg，ΔE＝Δmc2＝3.6×10－28×(3×108)2J＝3.24×10－11J.

重核裂變中核能的計算方法解答這類問題，一般是先根據(jù)核反應方程求出一個重核裂變時發(fā)生的質量虧損，由質能方程計算出釋放的能量，然后用阿伏加德羅常數(shù)把核能與重核質量聯(lián)系起來．另外，在計算過程中要注意單位的統(tǒng)一．如圖所示，我國第一座實驗性反應堆是在1954年6月建成投入運行的，我國自行設計研制、建造的秦山核電站已經(jīng)運行發(fā)電了．核電站問題(1)秦山核電站發(fā)電的原理是什么？(2)核反應堆中的防護層的構造和作用是什么？(3)核反應堆中的控制棒是由什么制成的？控制棒起什么作用？鈾核裂變的核反應方程是唯一的嗎？(4)減速劑的作用是什么？是為了減慢裂變速度嗎？【答案】(1)原子核的鏈式反應是在人工控制下進行．釋放的核能轉化為內能，再由蒸汽輪機帶動發(fā)電機轉化為電能，使核能為人類和平建設服務．(2)核反應堆中的防護層一般由金屬套、防止中子外逸的水層以及1～2m厚的鋼筋混凝土構成，可以有效地防止射線對人體及其他生命的侵害．(3)控制棒由鎘棒制成，鎘吸收中子的能力很強，在鈾棒之間插進一些鎘棒，可以控制鏈式反應的速度．(4)減速劑的作用是使快中子減速，以便于中子與鈾核作用發(fā)生鏈式反應，不是為了減慢裂變速度，而是為了提高中子的利用率．1．核反應堆的組成核反應堆由堆芯、中子反射層、控制系統(tǒng)和防護層等部分組成．其中控制棒用能吸收慢中子的鎘或硼鋼制成，以控制鏈式反應的速度．之所以把它叫作“堆”，是因為世界上第一個核反應堆是用石墨塊(用以控制反應速度)和金屬鈾塊(反應燃料)一層一層交替地“堆”起來而構成的．2．核反應堆與原子彈爆炸的比較原子彈爆炸時鏈式反應的速度是無法控制的，為了用人工方法控制鏈式反應的速度，使核能比較平緩地釋放出來，人們制成了核反應堆(核電站的核心設施)．核反應堆是人工控制鏈式反應的裝置．3．核電站發(fā)電的主要原理核燃料裂變釋放的能量使反應區(qū)溫度升高．水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應堆內外循環(huán)流動，把反應堆內的熱量傳輸出去．反應堆放出的熱使水變成水蒸氣，這些高溫高壓的蒸汽推動汽輪發(fā)電機發(fā)電．這一部分的工作原理和火力發(fā)電相同．素養(yǎng)點評：通過核電站的探究，培養(yǎng)“科學態(tài)度與責任”的核心素養(yǎng)．對原子核反應堆的理解精練3關于核反應堆中用鎘棒控制反應速度的原理，下列說法正確的是 (

)A．鎘棒能釋放中子，依靠釋放的多少控制反應速度B．用鎘棒插入的多少控制快中子變?yōu)槁凶拥臄?shù)量C．利用鎘棒對中子吸收能力強的特點，依靠插入的多少控制中子數(shù)量D．鎘棒對鈾核裂變有一種阻礙作用，利用其與鈾的接觸面積的大小控制反應速度【答案】C【解析】鎘棒不是離子源不會釋放中子，A錯誤，也不是減速劑，不能使快中子變?yōu)槁凶?，B、D錯誤，鎘棒對中子有吸收作用，通過中子強度檢測器檢測，當反應太強，鎘棒能自動插入，多吸收中子，反之，自動抽出，少吸收中子，故鎘棒也叫控制棒，C正確．變式3

(多選)關于原子核反應堆，下面說法正確的是 (

)A．鎘棒是核燃料，裂變時釋放核能B．鎘棒的作用是控制反應堆的功率C．石墨的作用是吸收中子D．冷卻劑的作用是控制反應堆的溫度和輸出熱量【答案】BD【解析】核燃料即為用濃縮鈾制成的鈾棒，鈾棒裂變時釋放核能；鎘棒具有很強的吸收慢中子的能力，通過控制鎘棒插入的深度來控制鏈式反應的速度，即可控制反應堆的功率；石墨的作用是使裂變產生的快中子減速成為慢中子；冷卻劑的作用是控制反應堆的溫度和輸出熱量．則B、D正確，A、C錯誤．氫彈是核武器的一種，其殺傷破壞因素與原子彈相同，但威力比原子彈大得多，1967年，我國第一顆氫彈爆炸試驗成功．值得一提的是，從原子彈到氫彈，我國僅用了兩年零八個月．如圖所示是爆炸時的圖片．探究核聚變反應問題(1)怎樣才能引發(fā)氫彈爆炸？(2)核聚變?yōu)槭裁葱枰獛装偃f度的高溫？(3)為什么輕核的聚變反應能夠比重核的裂變反應釋放更多的核能？(4)受控核聚變中磁約束的原理是什么？【答案】(1)首先由普通炸藥引爆原子彈，再由原子彈爆炸產生的高溫高壓引發(fā)氫彈爆炸．(2)要使輕核發(fā)生聚變就必須使它們間的距離達到核力發(fā)生作用的距離，而核力是短程力，作用距離在10－15

m，在這個距離上時，質子間的庫侖斥力非常大，為了克服庫侖斥力就需要原子核具有非常大的動能才會撞到一起，當溫度達到幾百萬度時，原子核就可以具有這樣大的動能．(3)因為很輕的原子核比較重的原子核的核子平均質量更大，聚變成質量較大的原子核能產生更多的質量虧損，所以平均每個核子釋放的能量就更大．(4)原子核帶有正電，垂直磁場方向射入磁場后在洛倫茲力作用下做勻速圓周運動，繞著一個中心不斷旋轉而不飛散開，達到約束原子核的作用．1．聚變發(fā)生的條件要使輕核聚變，必須使輕核接近核力發(fā)生作用的距離10－15m，這要克服電荷間強大的斥力作用，要求使輕核具有足夠大的動能．要使原子核具有足夠大的動能，就要給它們加熱，使物質達到幾百萬開爾文的高溫．2．輕核聚變是放能反應從比結合能的圖線看，輕核聚變后比結合能增加，因此聚變反應是一個放能反應．3．核聚變的特點(1)在消耗相同質量的核燃料時，輕核聚變比重核裂變釋放更多的能量．(2)熱核反應一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產生的熱就可以使反應進行下去．(3)普遍性：熱核反應在宇宙中時時刻刻地進行著，太陽就是一個巨大的熱核反應堆．4．核聚變的應用(1)核武器——氫彈：一種不需要人工控制的輕核聚變反應裝置．它利用彈體內的原子彈爆炸產生的高溫高壓引發(fā)熱核聚變爆炸．(2)可控熱核反應：目前處于探索階段．5．重核裂變與輕核聚變的區(qū)別核反應重核裂變輕核聚變放能原理重核分裂成兩個或多個中等質量的原子核，放出核能兩個輕核結合成質量較大的原子核，放出核能放能多少聚變反應比裂變反應平均每個核子放出的能量要大3～4倍核廢料處理難度聚變反應的核廢料處理要比裂變反應簡單得多核反應重核裂變輕核聚變原料的蘊藏量核裂變燃料鈾在地球上儲量有限，尤其用于核裂變的鈾235在鈾礦石中只占0.7%主要原料是氘，氘在地球上的儲量非常豐富.1L海水中大約有0.03g氘，如果用來進行熱核反應，放出的能量約與燃燒300L汽油相當可控性速度比較容易進行人工控制，現(xiàn)在的核電站都是用核裂變反應釋放核能目前，除氫彈以外，人們還不能控制它素養(yǎng)點評：通過核聚變探究，培養(yǎng)“物理觀念”和“科學態(tài)度與責任”的核心素養(yǎng)．對核聚變的理解精練4

(多選)下列說法正確的是 (

)A．聚變反應中有質量虧損，所以必向外界放出能量B．要使輕核發(fā)生聚變反應，必須使核之間的距離接近到1×10－15m，也就是接近到核力能夠發(fā)生作用的范圍內C．要使核發(fā)生聚變反應，必須克服核力做功D．熱核反應只有在人工控制下才能發(fā)生【答案】AB【解析】由質能方程可知，A正確；輕核結合成質量較大的核，必須使輕核間的距離達到核力能發(fā)生作用的范圍，才能使它們緊密地結合起來，B正確、C錯誤；熱核反應必須在很高的溫度下才能發(fā)生，不一定要人工控制，D錯誤．變式4

(多選)下列關于聚變的說法中，正確的是 (

)A．要使聚變反應發(fā)生，必須克服庫侖斥力做功B．輕核聚變需要幾百萬攝氏度的高溫，因此聚變又叫作熱核反應C．原子彈爆炸能產生幾百萬攝氏度的高溫，所以氫彈利用原子彈引發(fā)熱核反應D．自然界中不存在天然的熱核反應【答案】ABC【解析】輕核聚變時，必須使輕核之間距離達到10－15m，所以必須克服庫侖斥力做功，A正確；原子核必須有足夠的動能，才能使它們接近到核力能發(fā)生作用的范圍，實驗證實，原子核必須處在幾百萬攝氏度下才有這樣的能量，這樣高的溫度通常利用原子彈爆炸獲得，B、C正確；在太陽內部或其他恒星內部都進行著熱核反應，D錯誤．

對輕核聚變理解的兩個誤區(qū)1．誤認為聚變就是裂變的逆反應．產生這種誤區(qū)的原因是對聚變和裂變的本質沒有理解透徹，裂變時重核分裂成中等核，而聚變是輕核聚合成為次輕核，無直接關聯(lián)，并非互為逆反應．2．不能正確判斷聚變、裂變、衰變及人工轉變的方程．這是由對以上核反應方程的理解不深刻造成的．這四種方程在形式上很相近，因此判斷時容易混淆出錯，要想正確判斷必須抓住它們的實質：核聚變是輕核結合成質量較大的核，也會放出中子；重核裂變時鈾核捕獲中子裂變?yōu)閮蓚€或更多個中等質量的核，并放出幾個中子；人工轉變常用α粒子或中子去轟擊原子核，產生新原子核并放出一個或幾個粒子；衰變是原子核自發(fā)地轉變?yōu)榱硪环N核，并向外輻射出α粒子或β粒子的反應，衰變根據(jù)向外輻射粒子的不同分為α衰變和β衰變兩種．聚變中核能的計算精練5一個質子和兩個中子聚變?yōu)橐粋€氚核，已知質子質量mH＝1.0073u，中子質量mn＝1.0087u，氚核質量m＝3.018u.(1)寫出聚變方程；(2)釋放出的核能有多大？(3)平均每個核子釋放的能量有多大？【解析】根據(jù)質量數(shù)和電荷數(shù)守恒可得x是n(中子)．核反應中的質量虧損為Δm＝2.0141u＋3.0161u－4.0026u－1.0087u＝0.0189u，所以該反應釋放出的能量為ΔE＝Δm·c2＝17.6MeV.1．核聚變反應和一般的核反應一樣，也遵循電荷數(shù)和質量數(shù)守恒，這是書寫核反應方程式的重要依據(jù)．2．核能的計算關鍵是求出核反應過程中的質量虧損，然后代入ΔE＝Δmc2進行計算.課堂小練|

素養(yǎng)達成1．(多選)關于重核的裂變，以下說法正確的是 (

)A．核裂變釋放的能量等于它俘獲中子時得到的能量B．中子從鈾塊中通過時，但不一定發(fā)生鏈式反應C．重核裂變釋放出大量能量，產生明顯的質量虧損，所以核子數(shù)要減小D．重核裂變?yōu)橹械荣|量的核時，要發(fā)生質量虧損，放出核能【答案】BD【解析】根據(jù)重核發(fā)生裂變的條件和裂變釋放核能的原理分析可知，裂變時因鈾核俘獲中子即發(fā)生核反應，是核能轉化為其他形式能的過程．釋放的能量遠大于其俘獲中子時吸收